Supercapacitor-Based Voltage Smoothing in a Solar PV Microgrid: An OpenModelica Simulation Study

दुनिया के उन शांत कोनों में जहाँ बिजली का ग्रिड नहीं पहुँच पाता, सौर पैनल अक्सर ऊर्जा का एकमात्र स्रोत होते हैं। वे घरों को रोशन करने और छोटे उपकरणों को चलाने का एक स्वच्छ, शांत तरीका प्रदान करते हैं, लेकिन उनके साथ एक मौलिक सीमा भी आती है: सूर्य निरंतर चमकता नहीं है। जब कोई बादल ऊपर से गुजरता है, तो पैनलों पर पड़ने वाला प्रकाश कुछ ही सेकंडों में मंद और फिर तीव्र हो जाता है। यह तीव्र बदलाव बिजली के उत्पादन को अप्रत्याशित रूप से उतार-चढ़ाव वाला बना देता है। चिकित्सा उपकरणों, दूरसंचार उपकरणों या साधारण एलईडी लाइटों जैसे संवेदनशील उपकरणों के लिए, बिजली के इन अचानक झटकों के कारण झिलमिलाहट, क्षति या विफलता हो सकती है। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर अक्सर ऊर्जा भंडारण की ओर मुड़ते हैं, लेकिन सभी भंडारण एक समान नहीं होते। जबकि भारी बैटरियाँ घंटों तक ऊर्जा बनाए रखने के लिए उत्कृष्ट होती हैं, यदि उन्हें धूप में होने वाले हर छोटे और तेज़ बदलाव पर प्रतिक्रिया करने के लिए कहा जाए, तो वे जल्दी खराब हो जाती हैं। एक अलग प्रकार का उपकरण, जिसे सुपरकैपेसिटर (supercapacitor) कहा जाता है, बिजली के लिए 'शॉक एब्जॉर्बर' (झटका सहने वाले यंत्र) की तरह कार्य करता है। यह लगभग तुरंत ऊर्जा को अवशोषित या मुक्त कर सकता है, जिससे पारंपरिक बैटरियों में होने वाली तीव्र गिरावट के बिना बिजली की आपूर्ति के उतार-चढ़ाव को सुधारा जा सके।

नाइजीरिया के कडुना में एयर फोर्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने का निर्णय लिया कि यह 'शॉक-एब्जॉर्बिंग' तकनीक एक सिम्युलेटेड वातावरण में सौर ऊर्जा प्रणाली को स्थिर करने में कितनी प्रभावी हो सकती है। उन्होंने ओपन-सोर्स सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एक छोटे, ऑफ-ग्रिड सौर सिस्टम का एक आभासी मॉडल बनाया, जो एक ऐसा उपकरण है जो वैज्ञानिकों को भौतिक हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना समीकरण लिखने और समय के साथ एक प्रणाली कैसे व्यवहार करती है, यह देखने की अनुमति देता है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या एक सौर ऐरे (solar array) में एक एकल सुपरकैपेसिटर जोड़ने से बादलों के गुजरने के कारण होने वाले अनियंत्रित उतार-चढ़ाव को शांत किया जा सकता है, जिससे बिजली रोजमर्रा के उपयोग के लिए सुरक्षित और स्थिर हो सके। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने सौर पैनल, एक रेजिस्टिव लोड (जो घर या व्यवसाय का प्रतिनिधित्व करता है), और एक विशिष्ट प्रकार के सुपरकैपेसिटर का एक विस्तृत डिजिटल ट्विन (digital twin) बनाया, जिसे मैक्सवेल BCAP0310 के रूप में जाना जाता है। यह उपकरण, जिसकी रेटिंग 310 फैराड और 2.7 वोल्ट है, इसलिए चुना गया क्योंकि यह कई अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य, वास्तविक दुनिया का घटक है।

टीम ने अपने सिमुलेशन को एक वास्तविक बादलों वाले दिन की नकल करने के लिए प्रोग्राम किया। उन्होंने सूर्य के प्रकाश का एक पैटर्न बनाया जो एक जटिल लय में ऊपर-नीचे होता था, जिसमें बड़े बादलों के कारण होने वाले धीमे, लुढ़कते हुए परिवर्तनों और वायुमंडलीय प्रकीर्णन (atmospheric scattering) के कारण होने वाले तेज़, अस्थिर बदलावों का मिश्रण था। इसके परिणामस्वरूप सौर ऊर्जा का उत्पादन पाँच मिनट की अवधि में लगभग 118 वाट और 250 वाट के बीच तेजी से घटता-बढ़ता रहा। पहले परिदृश्य में, उन्होंने इस कच्चे, ऊबड़-खाबड़ प्रवाह को सीधे लोड तक जाने दिया, जो बिना किसी स्टोरेज वाले सिस्टम का प्रतिनिधित्व करता है। दूसरे परिदृश्य में, उन्होंने सुपरकैपेसिटर को पेश किया। यह उपकरण एक सरल नियम के साथ सिस्टम से जुड़ा था: यह एक बफर के रूप में कार्य करेगा, यानी जब धूप तेज होगी तो अतिरिक्त शक्ति को सोख लेगा और जब धूप कम होगी तो संग्रहीत शक्ति को छोड़ देगा, जो कि एक ऐसे फिल्टर द्वारा निर्देशित होगा जो यह तय करने के लिए कि कितनी ऊर्जा स्थानांतरित करनी है, पाँच सेकंड आगे का दृश्य देखता है।

सिमुलेशन के परिणाम स्पष्ट और मापने योग्य थे। जब सुपरकैपेसिटर सक्रिय था, तो लोड को दी जाने वाली बिजली काफी अधिक स्थिर हो गई। बिजली के सबसे चरम स्पाइक्स, जो अनियंत्रित प्रणाली में लगभग 69 वाट के उतार-चढ़ाव तक पहुँच गए थे, उन्हें घटाकर लगभग 54 वाट कर दिया गया। यह नियंत्रण रहित स्थिति के सबसे खराब मामलों में लगभग 21 प्रतिशत की गिरावट को दर्शाता है। बिजली की समग्र परिवर्तनशीलता, जिसे औसत के सापेक्ष समय के साथ विचलन के रूप में मापा जाता है, भी लगभग 18 प्रतिशत गिर गई। शायद जुड़े हुए उपकरणों के स्वास्थ्य के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात यह थी कि लोड टर्मिनल्स पर वोल्टेज अधिक स्थिर हो गया। वोल्टेज का मानक विचलन (standard deviation), जो विद्युत दबाव के डगमगाने का एक माप है, लगभग 2.0 वोल्ट से गिरकर 1.6 वोल्ट से थोड़ा ऊपर आ गया, जो 18 प्रतिशत का सुधार है। सुपरकैपेसिटर ने यह काम लगातार चार्ज और डिस्चार्ज होकर किया, इसका आंतरिक चार्ज स्तर शून्य से 69 प्रतिशत के बीच घूमता रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि इसके पास प्रभावी ढंग से संचालित होने के लिए पर्याप्त स्थान है और यह सिमुलेशन के दौरान खाली या अत्यधिक भरा नहीं हुआ।

अध्ययन ने इस प्रक्रिया के कारण उपकरण पर पड़ने वाले भौतिक प्रभाव को भी देखा। जैसे-जैसे सुपरकैपेसिटर ने बिजली को संतुलित करने का काम किया, इसके आंतरिक विद्युत प्रतिरोध के कारण इसने गर्मी उत्पन्न की। गर्मी का शिखर स्तर (peak heat generation) बादलों के सबसे तीव्र क्षणों के दौरान 12.28 वॉट तक पहुँच गया। हालांकि यह मात्रा उपयोग किए गए विशिष्ट घटक की सुरक्षित परिचालन सीमाओं के भीतर है, लेकिन इसने इस बात पर प्रकाश डाला कि उपकरण में गर्मी कैसे फैलती है, जिसका अर्थ है कि भविष्य के कार्यों को दीर्घकालिक सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए इलेक्ट्रिकल और थर्मल मॉडलों को संयोजित करने की आवश्यकता हो सकती है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनका दृष्टिकोण 'पैसिव' (passive) था, जिसका अर्थ है कि इसे कार्य करने के लिए जटिल, सक्रिय नियंत्रण लूप या महंगे कन्वर्टर की आवश्यकता नहीं थी, जो इसे ग्रामीण क्षेत्रों के लिए एक सरल और संभावित रूप से कम लागत वाला समाधान बनाता है।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक सुपरकैपेसिटर सौर ऊर्जा को स्थिर करने के लिए एक प्रभावी, अल्पकालिक बफर के रूप में कार्य कर सकता है, जो उन तीव्र उतार-चढ़ाव को कम करता है जो आमतौर पर ऑफ-ग्रिड सिस्टम में देखे जाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि एक एकल, अपेक्षाकृत छोटा उपकरण भी बिजली की गुणवत्ता में काफी सुधार कर सकता है, जिससे उपकरणों पर तनाव कम होता है और उन समुदायों के लिए सौर ऊर्जा अधिक विश्वसनीय हो जाती है जो इस पर निर्भर हैं। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि यह एक सफल 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' था, अगला कदम इस अल्पकालिक स्मूथिंग को दीर्घकालिक बैटरी स्टोरेज के साथ जोड़ना और डिवाइस के थर्मल व्यवहार की अधिक विस्तार से जांच करना होगा। फिलहाल, यह अध्ययन पुष्टि करता है कि पारंपरिक पावर ग्रिड की अनुपस्थिति में, एक सुपरकैपेसिटर सूर्य की अनियमित धड़कन को बिजली के एक स्थिर, उपयोगी प्रवाह में बदलने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है।